隧道穿越大型充填溶洞综合处治技术研究

刘东　袁通　姚宇洪

摘要：针对隧道穿越大型充填溶洞处治技术难题，文章结合广西天峨至巴马高速公路150余处充填型溶洞处治实例，借助数值计算、理论分析和现场试验手段，系统开展了充填型溶洞处治及效果研究，提出采用加強型衬砌、框架型初支结构、双层超前支护、CRD素混凝土临时仰拱浇筑法、大钢管锁脚、钢管桩仰拱基底预加固法等综合处治技术。结果表明：该综合处治技术对隧道安全、快速穿越大型充填溶洞效果显著，可为类似工程提供借鉴。

关键词：岩溶隧道；充填溶洞；综合处治技术

0引言

岩溶区域广泛分布于我国的贵州、云南、广西、四川等省区，其面积约占我国国土面积的1/3。由于长期受地下水溶蚀作用，可溶岩易溶解形成溶腔或大型溶洞。当溶洞与地表土层连通后将充填岩土碎屑和地下水，会给隧道工程建设带来极大的安全风险。因此，研究充填型溶洞隧道围岩稳定性和处治技术等受到诸多学者的关注。

李术才等为研究隧道承压型隐伏充填溶洞涌水突泥灾变演化过程，自主研发了大型隧道涌水突泥灾变演化模拟试验系统，试验结果对隧道涌水突泥机制的研究和灾害防治具有一定指导意义［1-2］；向明清基于两端固结梁理论建立力学分析模型，推导了隐伏充填溶洞失稳的最小安全厚度，分析了其影响敏感参数，并根据分析结果提出相应的施工治理措施［3］；邓书金等通过室内试验，研究岩溶隧道充填型隐伏溶洞涌突水持续时间特征，研究结果对于隐伏溶洞涌突水灾害预警与防治措施具有一定的理论指导价值［4］；韩鹏通过对比不同装置类型下不同充填类型溶洞的地电学特征，分析其正反演结果，为充填型溶洞探测提供理论和实践指导［5］。本文结合天峨至巴马高速公路150余处充填型溶洞处治实践，借助数值计算、理论分析、现场测试等综合手段，对隧道穿越充填型溶洞处治技术进行研究，并分析处治效果。

1 工程概况

天峨至巴马高速公路全长约105 km，隧道总长49 997.5 m/49座，占比达47.6%。全线隧道位于喀斯特地貌岩溶发育区，地下暗河众多。据统计，隧道施工过程中揭露溶洞上千处，其中充填型溶洞总计150余处。

本项目充填型溶洞发育区域存在如下特点：（1）区域内汇聚有大量的地下水[KG（0.12mm]加速可溶岩的溶解，例如地表洼

地附近，与地表连通的岩溶裂隙、管道和地下暗河等；（2）区域内围岩受地质构造作用围岩破碎，例如断层、褶皱等，使地下水的流通更加顺畅。地表水流将地表黏土、碎石土等顺岩溶裂隙、管道带入溶洞，经过长时间的演化、沉积和溶洞岩壁崩落风化等行为，形成具有一定层次、夹杂大块孤石的沉积物。该沉积物多呈欠固结状态，承载力低，含水率较高，细颗粒以砂状、粉砂状为主，其与大块孤石间胶结差，自稳能力差，施工风险高。本文结合上述充填型溶洞特点，研创出一套具有针对性的隧道穿越大型充填溶洞综合处治技术。

2 综合处治技术

该综合处治技术包含衬砌支护设计、双层超前支护设计、开挖工法设计、锁脚支护设计和仰拱底软基处治设计等，适用于隧道全断面为溶洞充填物段落施工处治，同时也适用于洞身局部范围围岩为溶洞充填物，可针对性地采取其中部分处治技术。

2.1 衬砌支护设计

2.1.1 加强型衬砌

在充填型溶洞段隧道施工，由于围岩自稳能力差，塑性圈相对较大，松散土层作用于隧道衬砌荷载较大，因此充填型溶洞段初支和二衬均需进行加强。现场实践总结：充填型溶洞段隧道初支采用Ⅰ22b型钢，间距为50 cm，此参数在保证初支满足围岩荷载要求的同时能减少单次进尺，在一定程度上保证充填型溶洞段隧道施工安全。

针对充填型溶洞段隧道二衬支护，采用荷载结构法计算隧道衬砌结构受力，根据计算结果进行充填型溶洞段隧道二衬截面设计和配筋。二衬采用60 cm厚C35钢筋混凝土，主筋采用25 mm钢筋，间距为20 cm。验算结果如下页图1～3和表1所示。

2.1.2 框架型初支结构

充填型溶洞段隧道初支受力大，掘进过程中易发生塌方或大变形，而初支发生塌方或大变形后破坏位置多为拱架接头部位，且拱架多为受扭破坏。从拱架受力性能分析，主要原因在于细长型弧形拱架虽抗弯性能较强，但截面抗扭性能弱，且拱架接头部位多为薄弱点。针对这一实际问题，研创了一种简便经济的初支加强技术：在拱架接头部位两端各焊接一根Ⅰ14型钢加强主拱架的纵向连接，形成框架型初支结构受力体系，具体如图4所示。该技术既增强了初支型钢整体抗扭性能，同时解决了拱架接头部位较薄弱问题。经实践证明，这一初支加强技术对隧道穿越充填型溶洞施工效果显著，该技术亦可应用于软岩、洞口覆土层等隧道段落施工。

2.2 超前支护设计

2.2.1 双层超前支护

溶洞沉积物多为欠固结土层，并夹杂有大块孤石，土层含水率较高，内摩擦角小，孤石与土层间粘结性能差。在隧道开挖过程中，拱顶极易发生孤石滚落，并伴随土层掉落，施工风险极大。针对此特性，创新采用双层超前支护体系，即9 m长89×6 mm超前短管棚+5 m长50×5 mm超前钢管，89×6 mm超前短管棚环向间距为40 cm，纵向排距为4 m，外倾角度为15°～20°，50×5 mm超前钢管环向间距为40 cm，纵向排距为4 m，外倾角度为5°～12°。50×5 mm超前钢管与89×6 mm超前短管棚之间环向和纵向对中错排布置，如图5所示。

为增加89×6 mm超前钢管刚度，打设钢管前在钢管内塞入钢筋笼，89×6 mm钢管与50×5 mm钢管管内均填充砂浆，增强整体刚度，如图6所示。为保证短管棚打设角度不宜过大，可在初支钢架上打孔，使89×6 mm钢管从钢架腹部穿过，钢管尾部与钢架焊接。由于钢架上打孔孔径较大，对拱架受力性能影响较大，需在管棚端头部位下方架立4榀复拱，待二衬施工至此部位时，再拆除复拱。

2.2.2 双层超前支护体系受力机理分析

采用超前短管棚+超前钢管结合的双层超前支护体系，充分发挥了两者超前支护的优势。

超前短管棚刚度大、防护距离长，能起到较強的悬挑作用，预防突发性的拱顶塌方、孤石滚落等地质灾害。由于管棚钢管较长、外倾角度较大，利用管棚注浆，对拱部松散围岩加固范围更大，拱部形成较厚的硬壳层。管棚间插入50×5 mm超前钢管，并与下一环管棚形成交叉搭接形式，通过小导管注浆对硬壳层进一步加固，可避免管棚中间土层滑落。管棚与小导管形成双层梁拱效应，两者相辅相成，共同受力。

2.3 开挖工法设计

岩溶填充物一般呈砂状或粉砂状，粘聚力低。隧道开挖时拱顶和掌子面土层自稳能力差，大断面开挖易引发拱顶或掌子面塌方。针对此问题，设计采用CRD开挖工法，减少掌子面临空面并降低开挖高度。对于CRD开挖工法，以往设计中采用弧形型钢并喷射混凝土形式作为临时仰拱，但此工法存在如下弊端：（1）施工工艺较为复杂，当上台阶处于快速变形状态时，由于本工艺操作时间长，不能起到及时控制变形的作用，且工人操作存在一定安全风险；（2）临时仰拱作用发挥完毕后进行拆除较为困难。针对此问题，将弧形型钢+喷射混凝土形式临时仰拱优化为30 cm厚素混凝土临时仰拱，此工艺可直接采用泵送混凝土形式浇筑，当上台阶变形大时能快速抑制变形并保证作业人员安全，在临时仰拱作用发挥完毕后进行拆除也十分便利。

2.4 锁脚支护设计

岩溶填充物内锁脚锚管受力较为复杂。随着溶洞填充物的沉降变形，初支受上部荷载作用通过拱架传递至锁脚锚管，给锁脚锚管施加竖向压力；初支受两侧松散土层的侧向挤压，向内收敛变形，给锁脚锚管施加向内的拉拔力；钢拱架给锁脚锚管施加竖向压力的同时，会在锁脚锚管的端头部位产生弯矩；同时随着锁脚锚管的位移，在锁脚锚管表面产生摩阻力和横向支撑力，锚管末端同时产生支撑力。具体受力模型如图7所示。

根据图7锁脚锚管受力模型分析可知，在岩溶填充物内，锁脚锚管主要受土体表面摩阻力和拱架带来的压力和弯矩。基于此，为增强锁脚锚管的锁脚效果，可通过增大锁脚锚管的表面积、摩阻系数等提高锁脚锚管的表面摩阻力；通过增加锚管横截面以提高锁脚锚管的抗弯性能。因此，充填型溶洞段落上台阶采用9 m长89×6 mm锁脚大钢管，考虑下台阶机械操作的便利性，下台阶拱脚部位采用5 m长50×5 mm锁脚钢管进行锁脚加强（见图8），同时在锁脚钢管上设置倒刺形式，以增强锁脚锚管的表面摩擦系数，具体可参考图6方式设置倒刺。

2.5 仰拱底软基处治设计

2.5.1 钢管桩仰拱基底预加固

针对隧道底部发育较厚溶洞填充物情况，经触探试验其承载力往往难以满足设计要求，且压缩变形较大，因此需对隧道基底进行加固处治，以避免结构物沉降变形过大。由于采用换填方式难以达到处治效果，且当开挖较深时易导致初支失稳，而大型机械无法在隧道内操作，因此选用钢管桩进行隧道基底加固。由于复合地基加固处治时间较长，且钢管注浆加固前期注入的浆液对基底进一步软化，为保证处治过程中初支稳定，可在下台阶开挖前预先采用钢管桩进行地基加固，并施作临时仰拱和锁脚大钢管等措施，待浆液凝固后再进行下台阶开挖并截断下台阶部位钢管，如下页图9所示。仰拱开挖后，在钢管桩桩顶铺设一层50 cm厚的碎石褥垫层和钢筋混凝土承台，保证钢管桩整体受力并充分发挥桩间土承载力，如下页图10所示。

仰拱底软基处治时，应避免一次性开挖仰拱长度过长，建议每6 m一循环开挖，待基底处治完毕并封闭成环后再进行下一循环施工。

2.5.2 复合地基承载力测试

为验证钢管桩对隧道底软基的加固效果，采用静载荷试验对复合地基承载力进行测试，测试结果如表2和图11所示。

由表2和图11可知，随附加荷载逐渐增大，地基沉降总体呈线性增大趋势，当施加至396 kPa时最大沉降量为20 mm，满足隧道基底承载力和地基沉降变形控制要求。当附加荷载消除时，地基残余沉降变形为18.38 mm，这主要是由土颗粒间孔隙压缩引起的。

3 结语

（1）数值分析结果表明：加强型衬砌支护参数满足隧道在充填型溶洞内结构受力要求。通过加强初支型钢纵向连接，形成框架型初支结构体系，能极大地提高隧道初支承载力。

（2）分析超前短管棚+超前钢管双层支护体系受力机理，表明两者相辅相成，形成双层梁拱效应。该双层超前支护体系对隧道下穿充填型溶洞或在其他软岩、土质围岩等施工效果显著。

（3）研究锁脚锚管在岩溶填充物段落的受力机理，表明采用加大锁脚锚管长度、截面尺寸和钢管表面设置倒刺等形式能在一定程度上增强锁脚作用。采用CRD工法开挖，同时创新性地采用素混凝土临时仰拱浇筑法，能有效确保隧道安全穿越充填型溶洞。

（4）充填型溶洞段内创新性采用钢管桩仰拱基底预加固法，能保证隧道下台阶开挖和软基处治过程中结构稳定；静载荷试验研究结果表明，该复合地基加固法效果显著。

参考文献：

［1］李术才，潘东东，许振浩，等.承压型隐伏溶洞突水灾变演化过程模型试验［J］.岩土力学，2018，39（9）：3 164-3 173.

［2］冯 源.岩溶地区隐伏溶洞诱发公路隧道顶部围岩塌方破坏模式研究［D］.长沙：长沙理工大学，2019.

［3］向明清.隧道拱顶隐伏充填溶洞的失稳分析及施工防治措施［J］.铁道建筑技术，2022（5）：192-196，220.

［4］邓书金，洪爱花，徐 钟，等.岩溶隧道充填型隐伏溶洞涌突水持续时间特征试验研究［J］.水利水电技术（中英文），2021，52（5）：97-108.

［5］韩 鹏.高密度电阻率法在探测不同充填类型溶洞中的正反演研究［J］.地质与勘探，2020，56（6）：1 219-1 225.

依托项目：2022年度广西科技计划项目“复杂地形岩溶隧道安全施工保障灾害预测成套技术研究”（编号：桂科AB22080010）

作者简介：刘 东（1983—），硕士，高级工程师，主要从事隧道工程建设与管理工作。